دراسة حول مفهوم الكهرباء وأنواعها واستخداماتها

ما هي الكهرباء؟

تُعتبر الكهرباء نوعاً من الطاقة الناتجة عن وجود جسيمات أولية تحمل شحنات كهربائية متنوعة، مثل الإلكترونات والبروتونات. تنشأ الكهرباء نتيجة تراكم الشحنات أو من خلال حركة الإلكترونات وتدفقها في موصل كهربائي، ويُعرف هذا التدفق عادةً بالتيار الكهربائي. من المعروف أن الإلكترونات تحمل شحنة سالبة، بينما تحمل البروتونات شحنة موجبة.

تتمثل عملية إنتاج الكهرباء في تحفيز الإلكترونات المحيطة بالنواة للابتعاد عن مداراتها حول الذرة. ويعتمد ذلك على قدرة الذرات على الاحتفاظ بإلكتروناتها؛ فعندما تكون قدرة النواة على الاحتفاظ بالإلكترونات ضعيفة، فإن الإلكترونات تتمكن من التحرر بسهولة، مما يجعل المادة موصلة جيدة للكهرباء. هذه الخاصية تنطبق عادةً على المواد المعدنية مثل النحاس، والألمنيوم، والذهب، والفضة. أما المواد الأخرى فتكون أقل قابلية لتحرير الإلكترونات، مثل الخشب والزجاج، مما يجعلها موصلات سيئة للكهرباء.

تم اكتشاف الكهرباء في أواخر القرن التاسع عشر، وقد أصبحت جزءاً لا يتجزأ من حياتنا اليومية نظراً لتعدد استخداماتها وتطبيقاتها. ورغم ذلك، يُنظر إليها كمصدر ثانوي للطاقة، حيث لا تُستخرج بشكل مباشر من الأرض مثل الفحم، بل تُولد من خلال مصادر الطاقة الأولية مثل الفحم، والغاز الطبيعي، وضوء الشمس، وطاقة الرياح، وغيرها.

أنواع الكهرباء

الكهرباء الساكنة

تنتج الكهرباء الساكنة عن تراكم الشحنات الكهربائية على سطح مادة معينة نتيجة الاحتكاك أو الفرك بين مادتين مختلفتين. قبل عملية الفرك، تكون كلا المادتين متعادلتين من حيث الشحنات، ولكن بعد الفرك، تنتقل الإلكترونات من جسم إلى آخر بسبب اختلاف قوة جذبها، مما يؤدي إلى أن يصبح أحد الأجسام مشحوناً بشحنة موجبة والآخر بشحنة سالبة.

تظهر آثار الكهرباء الساكنة عادةً في انجذاب المواد لبعضها البعض، أو في شكل شرارات صغيرة. مثال شائع على ذلك هو فرك البالون بقطعة من الصوف؛ حيث تنتقل الإلكترونات من قطعة الصوف إلى البالون، مما يجعل أحدهما مشحوناً بالشحنة الموجبة والآخر بالشحنة السالبة، مما يمكن البالون من الالتصاق بالأسطح.

التيار الكهربائي

يتكون التيار الكهربائي نتيجة تدفق عدد كبير من الإلكترونات عبر موصل كهربائي، وعادة ما يكون هذا الموصل سلكاً من النحاس. وحدة قياس التيار هي الأمبير، ويمكننا تشبيه التيار بحركة المياه في نهر، حيث يتدفق الماء من نقطة إلى أخرى بسرعة معينة. بشكل مماثل، يتدفق التيار الكهربائي بسرعة وكمية محددة، مما يعكس كمية الطاقة المنقولة على مدى فترة زمنية معينة.

هناك عدة مصادر لتوليد التيار الكهربائي، مثل البطاريات التي تنتج الكهرباء من خلال تفاعلات كيميائية، والمولدات الكهربائية في محطات الطاقة التي تولد التيار نتيجة دوران ملف نحاسي في مجال مغناطيسي. يوجد نوعان أساسيان من التيارات الكهربائية: التيار المستمر (DC) والتيار المتناوب (AC).

التيار المستمر

يُعرف التيار المستمر بأنه التيار الذي يظل ثابتاً من حيث القيمة والاتجاه، مثل التيار الناتج عن البطاريات. تُستخدم العديد من الأجهزة الإلكترونية هذا النوع من التيار، وتضم هذه الأجهزة الهواتف المحمولة، وشاشات التلفاز المسطحة، والمحركات الكهربائية في السيارات الهجينة والكهربائية، والمصابيح التي تعمل بواسطة البطاريات.

التيار المتناوب

تعريف التيار المتناوب يتمثل في تغير اتجاه تدفق الإلكترونات بشكل منتظم ضمن دورة ثابتة. التيار المستخدم في خطوط الطاقة الموجهة للمنازل هو عادةً تيار متناوب، حيث يجعل نقله عبر المسافات الطويلة أكثر سهولة مقارنة بالتيار المستمر، كما أن الجهد المرتفع يساهم في تقليل الفاقد من الطاقة. يتم استخدام المحولات لتحويل التيار المتناوب العالي الجهد ليتناسب مع استخدام المنازل. تُستخدم المولدات الكهربائية أيضاً لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية في مختلف الأجهزة مثل الثلاجات وغسالات الصحون.

يمكنك الاطلاع على مزيد من المعلومات حول أنواع الكهرباء من خلال قراءة المقال عن أنواع الكهرباء.

خصائص الكهرباء

يمكن تحديد خصائص الكهرباء بناءً على العوامل الثلاثة التالية:

• التيار الكهربائي: يُشار إليه بالرمز (I) ووحدته الأمبير. يمثل العدد الإجمالي للإلكترونات التي تعبر موصلاً معيناً في الثانية. يتدفق التيار عادة من المواد ذات الشحنة السالبة نحو المواد ذات الشحنة الموجبة.
• فرق الجهد: يُقيّد فرق الجهد الكهربائي بين جسمين، أحدهما سالب والآخر موجب، ووحدته الفولت (V)، وهو يعكس مقدار الشغل المطلوب لتحريك الشحنات الكهربائية بين القطبين.
• المقاومة الكهربائية: تمثل مقاومة المواد لتدفق التيار. تُقاس بالأوم (Ohms) وتعتمد على نوع المادة وسماكتها. المعادن مثل النحاس لديها مقاومة منخفضة مما يجعلها موصلة جيدة، بينما الخشب لديه مقاومة عالية، مما يجعله موصلاً ضعيفاً. تؤثر أيضاً درجة الحرارة في مستوى المقاومة.

تاريخ الكهرباء

تشير بعض المصادر القديمة إلى أن الكهرباء تم اكتشافها لأول مرة من قبل اليونانيين في القرن السادس قبل الميلاد، عن طريق ملاحظة شحن مادة العنبر بالفرك. ظلت الكهرباء تُستخدم بشكل بسيط حتى وصف العالم الإنجليزي وليام جيلبرت ظاهرة كهربة المواد في العام 1600، حيث استمد مصطلح “كهرباء” من الكلمة اليونانية التي تعني العنبر. يُعتبر جيلبرت الأب الروحي لعلم الكهرباء الحديث.

الحقبة الكمية

في عام 1745، تم اختراع قارورة ليدن بواسطة بيتر فان موشنبروك، والتي تُخزن الكهرباء الساكنة، وتم تفريغها في دائرة كهربائية عام 1747، مما أسس لمفهوم التيار الكهربائي والدائرة الكهربائية. أرسى العالم كولوم القوانين المتعلقة بالقوى الكهربائية المتبادلة، مما أدّى إلى دراسة كمية للكهرباء.

فتح اختراع البطارية آفاقاً جديدة لاستكشاف التيار الكهربائي. ففي عام 1786، لاحظ جلفاني تأثير التفريغ الكهربائي عندما اهتزت قدم ضفدع بسبب تفريغ كهربائي. وتمكن بعدها أليساندرو فولتا من بناء العمود الفلطائي، ما أدى إلى تأسيس قانون أوم وقانون جول، وهما أساس الحسابات المتعلقة بالدارات الكهربائية.

الحقبة الكهرومغناطيسية

بدأ عصر الكهرومغناطيسية عام 1819 باكتشاف المجال المغناطيسي المحيط بسلك يسري فيه تيار كهربائي. ثم وضع أندري ماري أمبير الكثير من القوانين ضمن صيغ رياضية في هذا المجال. تبعه اكتشاف فارادي للنموذج الأولي للمحرك الكهربائي، مع ابتكاره للمولد الكهربائي. وبعد عام، تم تصميم نموذج لمولد كهربائي يعمل يدوياً، مما أفضى لتطوير أول محطة طاقة كهربائية.

في عام 1873، طرح كلارك ماسكويل معادلات تصف المجال المغناطيسي، متوقعاً وجود موجات كهرومغناطيسية تسير بسرعة الضوء. وتم تأكيد ذلك تجريبياً من قبل هاينريش هيرتز. تم استخدام هذه الموجات لاختراع الراديو من قبل ماركوني في عام 1895، ثم توالت الاكتشافات التي أدت لنشأة مجال الإلكترونيات بعد اكتشاف الإلكترون بواسطة طومسون، بينما قام رذرفورد بتحديد تكوين الذرة وتوزيع الشحنات بداخلها.

فوائد الكهرباء

تعتبر الكهرباء حالياً الخيار الأفضل للاستخدام مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى، نظراً لكفاءتها العالية وسهولة التعامل معها. كان الفحم المصدر الرئيسي لتوليد الكهرباء لعدة عقود، لكن التطورات التكنولوجية أثمرت عن اكتشاف مصادر طاقة جديدة مثل الطاقة الكهرومائية، والغاز الطبيعي، والطاقة النووية، والتي تستخدم بشكل متزايد.

أدت زيادة استخدام الكهرباء في مختلف جوانب الحياة إلى زيادة الاستهلاك لهذه المصادر. بينما كانت نسبة استخدام الفحم والغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء في بداية القرن العشرين أقل من 2%، فإنها زادت لتصل إلى 30% بعد قرن من الزمن.

استخدام الكهرباء في الأجهزة المختلفة أضفى حياة جديدة على المجتمعات، حيث زادت من أمان وسهولة الحياة، بالإضافة إلى قدرتها على حفظ الطعام والمياه وحماية المنازل من درجات الحرارة القاسية.

للتعرف على أهمية الكهرباء، يمكنك قراءة المقال المتعلق بأهميتها في حياتنا.

مخاطر الكهرباء

رغم الفوائد الكبيرة للكهرباء، فإن استخدامها ينطوي على مخاطر عديدة، ومنها:

• تعرض الجسم للصدمات الكهربائية أو الحروق عند ملامسة التيار الكهربائي.
• إمكانية حدوث حرائق نتيجة بعض الأخطاء في الاستخدام.
• احتمال حدوث انفجارات كهربائية في البيئات غير الآمنة أو القابلة للاشتعال.

نقطة مهمة يجب ذكرها هي أن خطر الإصابة نتيجة الكهرباء يعتمد على كيفية ومكان استخدامها، حيث يعتبر الاستخدام في الظروف الرطبة أو المبللة أكثر خطورة.

تحدث الصدمات الكهربائية عندما يتحول جسم الإنسان إلى مسار يتدفق فيه التيار الكهربائي، مما يؤدي إلى تدفقه عبر الجسم. وقد يحدث ذلك نتيجة لتحسس سلكين والاكتشاف الخاطئ أو الاتصال بجسم معدني غير معزول. ينشئ ذلك دائرة كهربائية مغلقة يتمكن من خلالها التيار من المرور.

يتفاوت تأثير التيار الكهربائي على الجسم عند التعرض للصدمات الكهربائية باختلاف شدته. فيما يلي توضيح لتأثيرات الصدمة الكهربائية حسب مستوى التيار:

لمزيد من المعلومات حول مخاطر الكهرباء، يمكنك قراءة المقال المتعلق بمخاطر الكهرباء.

فيديو عن اكتشاف الكهرباء

شاهد الفيديو لتتعرف أكثر على اكتشاف الكهرباء: